一种核电站预埋件埋弧螺柱焊焊接方法与流程

本发明涉及一种焊接方法，尤其涉及一种核电站预埋件埋弧螺柱焊焊接方法，属于核电设备技术领域。

背景技术：

核电站预埋件作为预埋在混凝土中的构件，为核岛厂房中大量管道、设备、支架等提供重要的连接支撑，实现结构构件与土建基础牢固连接的功能。预埋件主要是由钢板和焊接在其上的锚固件组成，预埋件主要有两种结构形式，分别为带锚固钉的预埋件和带锚固钢筋的预埋件。预埋件焊接传统焊接方法主要为手工电焊条焊接和二氧化碳气体保护焊，但这些焊接方法存在以下几点不足：1)焊接效率较低；2)焊接一次合格率较低；3)焊缝表面质量不佳，焊道间过渡不平滑；4)在一块钢板上焊接多根钢筋时，由于热输入较大导致钢板易变形，需要校正。埋弧螺柱焊作为一种新型的预埋件焊接方法，在核电站预埋件焊接中尚无应用。标准JBJ 18-2012《钢筋焊接验收规程》中推荐了预埋件埋弧螺柱焊焊接工艺，但是该焊接工艺仅适用于普通工业和民用建筑中的预埋件焊接，焊接时容易产生焊缝内部夹渣和磁偏吹等问题，而核电站预埋件焊接质量要求非常严格，以保证与预埋件连接的物件安全可靠。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种核电站预埋件埋弧螺柱焊焊接方法，提高核电站预埋件的焊接效率和焊接合格率。

本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种核电站预埋件埋弧螺柱焊焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、将预埋件钢板表面待焊位置打磨除锈，打磨区域为直径≥80mm的圆形区域，将预埋件钢筋两端进行打磨除锈，打磨长度均≥20mm；

步骤二、用焊枪夹持固定钢筋，利用钢筋高度调节装置调整钢筋的伸出长度和提升高度；

步骤三、将步骤二的钢筋插入焊剂盒中并垂直顶压在预埋件钢板上；

步骤四、注入已烘干的焊剂；

步骤五、调节焊机的焊接参数，焊接时间：4～12s，电流极性为直流反接，电流大小为800～1700A；

步骤六、采用焊机进行焊接；

步骤七、焊接完成后敲渣。

上述方法的所述步骤一的预埋件钢板为普通碳钢或低合金钢，所述预埋件钢筋直径为16～32mm。

所述步骤二中调节钢筋伸出长度7～13mm，钢筋提升高度6～12mm。钢筋高度调节装置包括外置的调节盒和装配于焊枪上的调节滑块，所述调节盒的高度大于焊剂盒的高度，该高度差值与焊接工艺参数中要求的钢筋伸出长度值相等；所述调节滑块由一对相互滑动的滑块和用于限定滑块位置的旋转手柄组成。所述滑块的两端设有限位螺栓。使用时，在焊枪上装好上述高度调节滑块，然后焊枪夹持钢筋然后伸入到上述调节盒内，拧松高度调节滑块上的锁紧手柄，通过上滑块和下滑快的相对滑动而带动其下方的钢筋上下移动，使钢筋底部端头触碰到调节盒的盒底，再将工具上的锁紧手柄拧紧，提起焊枪，钢筋的伸出长度和提升高度均即调节完毕。

所述步骤三的焊剂盒为开合式，由两块对称的半圆柱筒体组成，两块半圆柱筒体的一侧直线边通过合页连接，另一侧通过锁扣连接并完成开合动作，焊接完毕后可快速打开锁扣即可取出焊剂盒。合上时，焊剂盒上具有钢筋插入口，所述钢筋插入口的直径比待焊钢筋的直径大1～2mm，避免钢筋插入口直径过大导致焊接过程中钢筋下降时发生偏移。

所述步骤四的焊剂成分按重量百分比计包括SiO₂+TiO₂ 25～35％，MnO+Al₂O₃ 25～35％，CaO+MgO 20～30％，CaF₂+FeO 5～15％，S≤0.03％，P≤0.04％，且通过式(1)计算得到焊剂碱度B，

$B=\frac{CaO+MgO+BaO+{\mathrm{Na}}_{2}O+K_{2}O+{\mathrm{CaF}}_2+0.5(MnO+FeO)}{{\mathrm{SiO}}_2+0.5({\mathrm{Al}}_2{O}_3+{\mathrm{TiO}}_2+{\mathrm{ZrO}}_2)}---\left(1\right)$

式中各化合物均表示质量百分比，所述碱度B为0.9～1.4。

采用上述方法焊接后钢筋四周焊缝的高度≥5mm；钢筋相对于钢板的直角偏差≤2°；焊接接头抗拉强度≥125％×钢筋的屈服强度，且拉伸试样断裂位置处于母材；将钢筋进行90°弯曲后，焊缝和热影响区均无裂纹产生。

上述焊接参数中，焊接时间为4～12s，根据钢筋直径大小进行相应调整，钢筋直径越大，焊接时间越长。当焊接时间低于该范围值时，由于焊接时间短，焊接能量不足，造成熔池小，冷却快，被挤出的金属溶液与钢筋温度较低的部分不能有机地结合，从而易造成钢筋与焊缝之间存在间隙，且间隙中伴随着夹渣；当焊接时间高于该范围值时，易造成钢筋咬边，咬边深度大于0.5mm。

钢筋伸出长度为7～13mm，钢筋的伸出长度与焊接后焊缝的高度基本成正比，为了使焊缝的高度满足JBJ 18-2012《钢筋焊接验收规程》中要求的焊缝高度，即当钢筋直径为18mm及以下时，不得小于3mm；当钢筋直径为20mm及以上时，不得小于4mm，因此钢筋的伸出长度定为不小于7mm，而当钢筋伸出长度大于13mm时，焊缝高度满足标准要求但浪费钢筋，因此钢筋伸出长度不大于13mm。

钢筋提升高度为6～12mm，当钢筋提升高度小于该范围值时，由于钢筋压入深度过小(钢筋焊接时下降深度与前期调整的钢筋提升高度相等)，钢筋下降过程过早断电，熔池金属温度低，不能将熔渣完全排出，从而造成焊缝表面有一圈夹渣；当钢筋提升高度高于该范围值时，焊接过程中钢筋下降时将熔渣压入熔池深处，由于焊接时间短，熔渣来不及逸出，易造成焊缝内部夹渣。

焊接电流大小为800～1700A，根据钢筋直径大小进行相应调整，钢筋直径越大，焊接电流越大。当焊接电流低于800A时，钢筋与焊缝连接处易产生间隙，间隙中有夹渣，无法敲掉；当焊接电流高于1700A时，钢筋易出现咬边现象，咬边深度≥0.3mm。

焊剂成分中，SiO₂+TiO₂的质量百分比为25～35％。SiO₂是造渣剂，也是维持电弧稳定性的主要成分，含量过低时电弧不稳定，含量过高会导致熔渣粘度过大，流动性不好，熔渣浮出熔池表面比较困难，从而易造成焊缝夹渣；TiO₂可以改善脱渣性，但TiO₂价格较贵，含量不宜太高；

MnO+Al₂O₃的质量百分比为25～35％。MnO可以降低熔渣的熔点，改善熔渣的流动性，降低表面张力，有利于焊缝成形，同时还能调整焊缝金属中的Mn含量，并起到一定的脱S作用，当MnO含量偏低时，上述效果不明显，但含量过高时有粘渣的倾向；Al₂O₃作为造渣剂，能改善熔渣的流动性，且具有提高电弧集中性的作用，能降低电弧产生磁偏吹的倾向性，当其含量过低时熔渣的粘度过低，难以保证较好的焊缝外观，含量过高时熔渣的粘度增加，易造成焊缝夹渣；

CaO+MgO的质量百分比为20～30％。CaO能提高熔渣的碱度，且对S、P的结合能力较强，可以降低焊缝金属中的S、P的含量。MgO能提高熔渣的碱度，增加熔渣的透气性和降低扩散氢含量，但含量过高时，熔渣的熔点过高，易在焊缝金属中形成夹渣；

CaF₂+FeO的质量百分比为5～15％。CaF₂可以增加熔渣的流动性，减小气孔、夹渣等缺陷，改善焊缝成型，其含量过低时，不能起到上述效果，其含量过高时会导致电弧不稳定；FeO是原材料带入的成分，降低焊缝金属的冲击韧性，一般控制在其含量在较低范围；

S和P的质量百分比分别为：S≤0.03％，P≤0.04％。S和P是原材料中带入的有害杂质，需要控制其含量，S与P相比更易导致焊缝产生气孔和夹渣，因此对S的限制应更严格；

满足上述成分要求的焊剂碱度B为0.9～1.4，当焊剂碱度低于0.9时，焊缝夹渣倾向性增大，当焊剂碱度高于1.4时，焊缝易产生磁偏吹现象。

本发明的有益效果是：

1.本发明焊接方法提高了核电站预埋件焊接效率，传统方法使用手工电弧焊和气体保护焊平均每焊一根钢筋的时间分别约15分钟和10分钟，而采用本发明的埋弧螺柱焊焊接方法平均每焊一根钢筋的时间约为3分钟，焊接效率约相当于手工电弧焊的5倍。

2.本发明焊接方法解决了埋弧螺柱焊中常见的焊缝夹渣和磁偏吹问题，焊接一次合格率达98％以上。

3.使用本发明焊接方法得到的焊缝外表光滑美观，力学性能优异。

4.在同一块钢板上焊接多根钢筋后，钢板基本无变形，无需进行校正。

附图说明

图1为本发明所使用的高度调节滑块装配在焊枪上的示意图。

图2为本发明所使用的钢筋高度调节滑块结构详细示意图。

图3为本发明所使用的开合式焊剂盒结构示意图。

图1至图3中的附图标记为：埋弧螺柱焊焊枪枪体 1、钢筋高度调节滑块 2、上滑块 21、下滑块 22、旋转手柄 23、开合式焊剂盒 3、钢筋插入口 4、快速锁扣 5、合页 6。

具体实施方式

实施例一

本发明的一种核电站预埋件钢筋埋弧螺柱焊焊接方法，所焊预埋件的钢板为20mm厚Q390B，所焊预埋件的钢筋为Φ20mm的HRB400E，钢筋长度700mm。所采用焊剂的碱度为1.0，该焊剂的化学组分及重量百分比为：SiO₂+TiO₂：31.3％，MnO+Al₂O₃：31.5％，CaO+MgO：26.5％，CaF₂+FeO：10.0％，S：0.030％，P：0.032％。

如图1至图3所示，实施例使用钢筋高度调节装置调整钢筋的伸出长度和提升高度，本实施调节钢筋的伸出长度和提升高度分别为10mm和9mm。钢筋高度调节装置包括埋弧螺柱焊焊枪和外置的调节盒，所述埋弧螺柱焊焊枪包括枪体1和连接在枪体上的钢筋高度调节滑块2，所述钢筋高度调节滑块2由上滑块21和下滑块22以及一个可旋转手柄23组成，上滑块21和下滑块22可以做相对滑动；所述调节盒与焊剂盒形状相似但高度比焊剂盒3高，该高度差值与焊接工艺参数中要求的钢筋伸出长度值相等，本实施例中调节盒的高度为110mm，焊剂盒3的高度为100mm。

本实施例中焊剂盒3上的钢筋插入口4的直径为23mm，焊剂盒由两块对称的半圆柱筒体组成，两块半圆柱筒体的一侧直线边通过合页6连接，另一侧通过快速锁扣5连接，焊剂盒3通过快速锁扣5打开和合上而进行开合。

本实施例按照以下步骤进行焊接：

1)焊接前，焊剂在350℃下烘干2小时，钢板表面进行打磨除锈，钢筋两端打磨除锈，钢板表面待焊位置打磨区域为直径≥80mm的圆形区域，钢筋两端各打磨除锈，打磨长度均不小于20mm；

2)调节钢筋的伸出长度和提升高度。打开焊枪枪体1的后盖，旋动内部的限位杆以调节焊枪上的弹簧松紧度，将弹簧的总压缩量调整为19mm。用焊枪夹持钢筋，将钢筋插入到调节盒中，再拧松高度调节滑块2的旋转手柄23，通过调整上滑块21和下滑块22的相对位置使钢筋底部触碰到调节盒的盒底完成钢筋的伸出长度调节，再将高度调节滑块2的旋转手柄23拧紧，提起焊枪，此时钢筋相对于焊剂盒3的伸出长度即为10mm。由于焊枪上的弹簧总压缩量等于钢筋伸出长度和提升高度之和，因此钢筋的提升高度值等于弹簧的总压缩量减去钢筋的伸出长度值即19mm-10mm＝9mm。前述调整好弹簧的总压缩量后，再调节钢筋的伸出长度，钢筋的提升高度即已确定；

3)调节焊接参数：焊接时间为5s，电流极性为直流反接，电流大小为920～1050A；

4)按动焊接开关按钮，焊机自动完成焊接程序；

5)焊接完成后进行敲渣。

本实施例中，平均焊一根钢筋的时间为3分钟，焊接后钢筋四周焊缝的平均高度为6mm，钢筋相对于钢板的直角偏差≤2°；焊接接头金相检验合格，无气孔、夹渣、裂纹等缺陷；焊接接头试样的抗拉强度均值为620MPa，断裂位置均位于钢筋母材，该抗拉强度值大于钢筋HRB400E的屈服强度的125％(即400MPa×125％＝500MPa)，符合标准AWS D1.4/D1.4M:2011《Structural Welding Code—Reinforcing Steel》中关于螺柱焊抗拉强度的要求；按照标准AWS D1.1/D1.1M:2010《Structural Welding Code—Steel》对焊接接头进行弯曲试验检测，将钢筋进行90°弯曲后，焊缝和热影响区均无裂纹产生，检测结果均合格。本实施例焊接一次合格率达98.75％。实施例二

本实施例的一种核电站预埋件钢筋埋弧螺柱焊焊接方法，所焊预埋件的钢板为20mm厚Q390B，所焊预埋件的钢筋为Φ22mm的HRB400E，钢筋长度700mm。所用焊剂与实施例一相同。

本实施例的结构与实施例一相同，不同之处在于调节钢筋的伸出长度和提升高度分别为11mm和10mm。实施例中焊剂盒3的高度为100mm，焊剂盒3上的钢筋插入口4的直径为24mm，调节盒的高度为111mm。

本实施例的焊接步骤与实施例一相同，本实施例中调节弹簧的总压缩量为21mm，焊接参数为：焊接时间为5.5s，电流极性为直流反接，电流大小为950～1080A。

实施例中，平均焊一根钢筋的时间为2.9分钟，焊接后钢筋四周焊包的平均高度为6.5mm，钢筋相对于钢板的直角偏差≤2°；焊接接头金相检验合格，无气孔、夹渣、裂纹等缺陷；焊接接头试样的抗拉强度均值为630MPa，断裂位置均位于钢筋母材，该抗拉强度值大于钢筋HRB400E的屈服强度的125％(即400MPa×125％＝500MPa)，符合标准AWS D1.4/D1.4M:2011《Structural Welding Code—Reinforcing Steel》中关于螺柱焊抗拉强度的要求；按照标准AWS D1.1/D1.1M:2010《Structural Welding Code—Steel》对焊接接头进行弯曲试验检测，将钢筋进行90°弯曲后，焊缝和热影响区均无裂纹产生，检测结果均合格。本实施例焊接一次合格率达99％。

除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。